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CN111400955B - 一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法 - Google Patents

一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法 Download PDF

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CN111400955B CN202010227195.9A CN202010227195A CN111400955B CN 111400955 B CN111400955 B CN 111400955B CN 202010227195 A CN202010227195 A CN 202010227195A CN 111400955 B CN111400955 B CN 111400955B
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asphalt
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temperature
model
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郭敏锐
周兴林
李向文
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Abstract

本发明属于沥青路面破坏评价技术领域，公开了一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，包括构建以载荷为特征的轮胎模型，构建沥青路面结构模型，构建沥青材料回弹模量与温度的非线性模型，获取沥青面层的回弹模量的非线性分布信息，获取位于载荷区中心位置处的沥青面层的底部的横向拉应变值、纵向拉应变值，并选择较大值作为沥青面层的底部的拉应变值；根据沥青面层的底部的拉应变值、沥青面层的底部的回弹模量构建沥青路面的疲劳开裂破坏模型，对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。本发明能够弥补沥青路面疲劳开裂破坏评价领域的不足，正确合理地评价沥青路面疲劳开裂破坏。

Description

一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法
技术领域
本发明涉及沥青路面破坏评价技术领域，尤其涉及一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法。
背景技术
随着交通需求的发展，作用在沥青路面载荷不断増大，对路面结构材料性质的影响逐渐变大，此时路面结构材料不能再简单的看作线弹性材料。沥青路面处于大气环境之中，由于气温的变化，导致路面结构各层的温度各不相同。以前较多的研究将沥青材料参数，例如弹性模量与泊松比等视为定值来分析路面的应变响应，这样得出的结论针对沥青材料某一时刻某一特定温度下的，并不能代表在变化温度情况下的回弹模量，实际的沥青面层回弹模量具有非线性分布特征。忽视沥青路面的变化的温度导致的回弹模量非线性分布，得到的路面应变响应显然是不准确的，正确的研究沥青路面回弹模量非线性分布是必不可少的。
目前我国现行制订和颁布的沥青路面设计规范，该规范基于疲劳、车辙、低温开裂及抗滑等多种路用性能要求建立了沥青层底拉应力、无机结合料层底拉应力、路基顶面压应变、沥青层允许永久变形、低温开裂指数、抗滑技术要求等七大指标。但是，关于应变设计指标难以在设计及施工过程中进行准确可靠检验的问题，目前没有很好的解决方案，也缺少一种能够正确合理地评价沥青路面疲劳开裂破坏的方案。
发明内容
本申请实施例通过提供一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，解决了现有技术不能正确合理地评价沥青路面疲劳开裂破坏的问题。
本申请实施例提供一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，包括以下步骤：
步骤1、构建以载荷为特征的轮胎模型；
步骤2、构建沥青路面结构模型；所述沥青路面结构模型包括沥青面层；
步骤3、获取沥青面层的表面的温度、沥青面层的底部的温度，构建沥青材料回弹模量与温度的非线性模型；根据所述沥青材料回弹模量与温度的非线性模型获取沥青面层的回弹模量的非线性分布信息；
步骤4、通过ABAQUS分析计算，获取位于载荷区中心位置处的沥青面层的底部的横向拉应变值、纵向拉应变值；
步骤5、比较所述横向拉应变值、所述纵向拉应变值的大小，选择较大值作为沥青面层的底部的拉应变值；
步骤6、根据所述沥青面层的底部的拉应变值、沥青面层的底部的回弹模量，构建沥青路面的疲劳开裂破坏模型，根据所述沥青路面的疲劳开裂破坏模型对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。
优选的，所述步骤1中，所述轮胎模型在轮胎路面接触区域上被划分为五个区域轮胎主体，五个所述区域轮胎主体的垂向轮胎力呈对称分布。
优选的，所述五个区域轮胎主体的垂向轮胎力的幅值分别记为P1、P2、P3、P2、P1；P1、P2、P3之间的大小关系满足：P1＜P2＜P3。
优选的，所述步骤2中，所述沥青路面结构模型从上至下依次为所述沥青面层、基层、底基层、土基；所述沥青面层的载荷区被施加垂向轮胎力；所述沥青面层沿深度方向具有变化的温度梯度。
优选的，所述步骤3中，所述沥青材料回弹模量与温度的非线性模型表示为：
Figure BDA0002428111730000021
Figure BDA0002428111730000031
式中，TZ是沥青面层深度为z时的温度，单位为℃；Ts是沥青面层的表面的温度，单位为℃；Tb是沥青面层的底部的温度，单位为℃；D是沥青面层的总深度，单位为mm；E25是25℃沥青材料的回弹模量，单位为MPa；ET是温度为T时的回弹模量，单位为MPa。
优选的，所述步骤4中，采用ABAQUS关于材料的用户子程序UMAT实现沥青面层的回弹模量的非线性分布。
优选的，所述步骤4中，采用ABAQUS的子程序DLOAD实现载荷区的垂向轮胎力的快速移动。
优选的，所述步骤4中，采用隐式动力学分析确保ABAQUS计算时的效率以及收敛性。
优选的，所述步骤6中，所述沥青路面的疲劳开裂破坏模型表示为：
Nf＝1.135×10-3×10M×(εt)-3.291(E)-0.854
Figure BDA0002428111730000032
式中，Nf是产生疲劳开裂的载荷作用次数；εt是沥青面层的底部的拉应变值；E是沥青面层的底部的回弹模量，单位为MPa；Vb是沥青的体积百分比；Va是沥青混合料孔隙率；M是调整值。
优选的，所述步骤6中，根据产生疲劳开裂的载荷作用次数对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，通过大型分析计算软件ABAQUS建立轮胎模型与沥青路面结构模型，测量沥青面层的表面的温度、沥青面层的底部的温度，构建沥青材料回弹模量与温度的非线性模型，并根据沥青材料回弹模量与温度的非线性模型获取沥青面层的回弹模量的非线性分布特征，之后通过ABAQUS分析计算，获取位于载荷区中心位置处的沥青面层的底部的横向拉应变值、纵向拉应变值，并比较横向拉应变值、纵向拉应变值的大小，选择较大值作为沥青面层的底部的拉应变值；再根据沥青面层的底部的拉应变值、沥青面层的底部的回弹模量构建沥青路面的疲劳开裂破坏模型，进而根据沥青路面的疲劳开裂破坏模型评价沥青路面疲劳开裂破坏情况。本发明运用在路面疲劳开裂破坏评价领域，本发明根据沥青路面的变化的温度导致的回弹模量非线性分布得到的路面应变响应相对于现有技术更加准确，能够弥补沥青路面疲劳开裂破坏评价领域的不足，能够正确合理地评价沥青路面疲劳开裂破坏。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法中的轮胎模型；
图3为本发明实施例提供的一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法中轮胎与路面接触区域的垂向轮胎力的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法中在垂向轮胎力作用下的沥青路面结构模型；
图5为本发明实施例提供的一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法中沥青面层材料的回弹模量分布非线性分布UMAT子程序与ABAQUS主程序数据交换的流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，参看图1，包括以下步骤：
步骤1、构建以载荷为特征的轮胎模型。
所述轮胎模型在轮胎路面接触区域上被划分为五个区域轮胎主体，五个所述区域轮胎主体的垂向轮胎力呈对称分布。所述五个区域轮胎主体的垂向轮胎力的幅值分别记为P1、P2、P3、P2、P1；P1、P2、P3之间的大小关系满足：P1＜P2＜P3。
一种具体的实现方式中，P1、P2、P3在时程范围内均接近于半正弦波形式。
步骤2、构建沥青路面结构模型。
所述沥青路面结构模型从上至下依次为所述沥青面层、基层、底基层、土基。所述沥青面层的载荷区被施加垂向轮胎力。所述沥青面层沿深度方向具有变化的温度梯度。
需要说明的是，步骤1、步骤2的前后顺序可以根据需要进行调整，即可以先构建沥青路面结构模型，再构建以载荷为特征的轮胎模型。
步骤3、获取沥青面层的表面的温度、沥青面层的底部的温度，构建沥青材料回弹模量与温度的非线性模型；根据所述沥青材料回弹模量与温度的非线性模型获取沥青面层的回弹模量的非线性分布信息。
具体的，所述沥青材料回弹模量与温度的非线性模型表示为：
Figure BDA0002428111730000051
Figure BDA0002428111730000061
式中，TZ是沥青面层深度为z时的温度，单位为℃；Ts是沥青面层的表面的温度，单位为℃；Tb是沥青面层的底部的温度，单位为℃；D是沥青面层的总深度，单位为mm；E25是25℃沥青材料的回弹模量，单位为MPa；ET是温度为T时的回弹模量，单位为MPa。
步骤4、通过ABAQUS分析计算，获取位于载荷区中心位置处的沥青面层的底部的横向拉应变值、纵向拉应变值。
具体的，采用ABAQUS关于材料的用户子程序UMAT实现沥青面层的回弹模量的非线性分布。采用ABAQUS的子程序DLOAD实现载荷区的垂向轮胎力的快速移动。采用隐式动力学分析确保ABAQUS计算时的效率以及收敛性。
步骤5、比较所述横向拉应变值、所述纵向拉应变值的大小，选择较大值作为沥青面层的底部的拉应变值。
步骤6、根据所述沥青面层的底部的拉应变值、沥青面层的底部的回弹模量，构建沥青路面的疲劳开裂破坏模型，根据所述沥青路面的疲劳开裂破坏模型对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。
其中，沥青面层的底部的回弹模量可以直接根据沥青面层的回弹模量的非线性分布信息得到。
具体的，所述沥青路面的疲劳开裂破坏模型表示为：
Nf＝1.135×10-3×10M×(εt)-3.291(E)-0.854
Figure BDA0002428111730000062
式中，Nf是产生疲劳开裂的载荷作用次数；εt是沥青面层的底部的拉应变值；E是沥青面层的底部的回弹模量，单位为MPa；Vb是沥青的体积百分比；Va是沥青混合料孔隙率；M是调整值。
根据产生疲劳开裂的载荷作用次数对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。
下面对本发明做进一步的说明。
本发明提供的一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，包括如下主要步骤：
步骤1、通过有限元软件ABAQUS/CAE建立载重汽车轮胎的三维有限元模型。
参见图2、图3，轮胎的胎面具有五条纵向花纹，采用动力学分析，获取轮胎与路面接触区域的轮胎的垂向轮胎力分别为P1、P2、P3、P2、P1。P1、P2、P3之间的大小关系满足：P1＜P2＜P3。比如，P1＝0.606MPa，P2＝1.10MPa，P3＝1.23MPa。垂向轮胎力为动态的移动载荷。
相对于现有道路设计规范以垂向接触压力0.7MPa为标准进行路面评价，本发明对轮胎垂向压力分布做了改进，更接近实际情况，能够提高评价的准确性。
步骤2、通过大型分析计算软件ABAQUS建立实际沥青路面模型。
具体的，实际路面的结构层从上至下依次为沥青面层、基层、底基层、土基。其中，沥青面层的载荷区被施加垂向轮胎力，用垂直向下的箭头表示。另外，沥青面层沿深度方向具有变化的温度梯度，参见图4，测量沥青面层的表面与底部的温度分别为Ts和Tb(单位:℃)。
步骤3、建立沥青材料回弹模量与温度的非线性模型。
具体的，沥青材料回弹模量与温度的非线性模型表示为：
Figure BDA0002428111730000071
Figure BDA0002428111730000072
式中，TZ是沥青面层深度为z时的温度，单位为℃；Ts是沥青面层的表面的温度，单位为℃；Tb是沥青面层的底部的温度，单位为℃；D是沥青面层的深度，单位为mm；E25是25℃沥青材料的回弹模量，单位为MPa；ET是温度为T时的回弹模量，单位为MPa。
即ET表示从沥青面层的表面到底部的深度范围内，不同的温度T所对应的回弹模量。
通过以上两个方程获取沥青面层的回弹模量的非线性分布特征。
步骤4、通过ABAQUS计算分析，获得载荷区中心位置处的沥青面层底部的横向拉应变以及纵向拉应变。
具体的，步骤4包括以下子步骤：
步骤4.1、采用FORTRAN语言编制的UMAT子程序来实现回弹模量的非线性分布，UMAT子程序与ABAQUS主程序的数据交换流程图，参见图5。UMAT子程序是ABAQUS提供给用户定义材料属性的FORTRAN语言程序接口，决定着非线性属性及应力更新方式，其它分析步、迭代部分、增量步，均在主程序内部自动完成。
步骤4.2、采用FORTRAN语言编制的DLOAD子程序来实现载荷区垂向轮胎力P1、P2、P3、P2、P1的快速移动。
步骤4.3、实际路面的三维模型开发好之后，采用隐式动力学分析确保计算效率以及收敛性。
步骤4.4、通过隐式动力学分析之后，获得载荷区中心位置处的沥青面层底部的横向拉应变以及纵向拉应变。
步骤5、比较横向拉应变以及纵向拉应变大小，选择较大值作为沥青面层底部的拉应变值。
步骤6、建立沥青路面的疲劳开裂破坏模型。
其中，沥青路面的疲劳开裂破坏模型表示为：
Nf＝1.135×10-3×10M×(εt)-3.291(E)-0.854
Figure BDA0002428111730000091
式中，Nf是产生疲劳开裂的载荷作用次数；εt是沥青面层的底部的拉应变值；E是沥青面层的底部的回弹模量，单位为MPa；Vb是沥青的体积百分比；Va是沥青混合料孔隙率；M是调整值，M由沥青混合料材料参数决定。
其中，此处的E是前面公式中ET的一个值，即底部的回弹模量。ET是一个集合，包括很多个回弹模量，即是从表面到底部的回弹模量分布的集合。
相对于沥青路面材料的线弹性分布计算分析得到的应变结果，本发明采用沥青面层回弹模量的非线性分布规律来计算分析应变，可提高计算结果的准确性和可靠性，减小沥青路面疲劳开裂破坏的评价的误差。
本发明建立了沥青路面的三维模型，并采用回弹模量与温度之间的非线性模型以及沥青路面疲劳破坏模型，把在实际沥青路面疲劳破坏中不易检验测量的应变指标转化可量化的荷载疲劳次数指标，进而运用到沥青路面疲劳开裂破坏的评价领域中去，能够弥补沥青路面疲劳开裂破坏评价领域的不足。
本发明采用模型分析计算垂向轮胎力、拉应变值、回弹模量值，进而计算控制疲劳开裂的荷载重复使用次数，对于正确合理的评价路面疲劳开裂破坏具有重大意义。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建以载荷为特征的轮胎模型；
所述轮胎模型在轮胎路面接触区域上被划分为五个区域轮胎主体，五个所述区域轮胎主体的垂向轮胎力呈对称分布；所述五个区域轮胎主体的垂向轮胎力的幅值分别记为P1、P2、P3、P2、P1；P1、P2、P3之间的大小关系满足：P1＜P2＜P3；
步骤2、构建沥青路面结构模型；所述沥青路面结构模型包括沥青面层；
步骤3、获取沥青面层的表面的温度、沥青面层的底部的温度，构建沥青材料回弹模量与温度的非线性模型；根据所述沥青材料回弹模量与温度的非线性模型获取沥青面层的回弹模量的非线性分布信息；
所述沥青材料回弹模量与温度的非线性模型表示为：
Figure FDA0004160904190000011
Figure FDA0004160904190000012
式中，TZ是沥青面层深度为z时的温度，单位为℃；Ts是沥青面层的表面的温度，单位为℃；Tb是沥青面层的底部的温度，单位为℃；D是沥青面层的总深度，单位为mm；E25是25℃沥青材料的回弹模量，单位为MPa；ET是温度为T时的回弹模量，单位为MPa；
步骤4、通过ABAQUS分析计算，获取位于载荷区中心位置处的沥青面层的底部的横向拉应变值、纵向拉应变值；
步骤5、比较所述横向拉应变值、所述纵向拉应变值的大小，选择较大值作为沥青面层的底部的拉应变值；
步骤6、根据所述沥青面层的底部的拉应变值、沥青面层的底部的回弹模量，构建沥青路面的疲劳开裂破坏模型，根据所述沥青路面的疲劳开裂破坏模型对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。
2.根据权利要求1所述的由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，所述步骤2中，所述沥青路面结构模型从上至下依次为所述沥青面层、基层、底基层、土基；所述沥青面层的载荷区被施加垂向轮胎力；所述沥青面层沿深度方向具有变化的温度梯度。
3.根据权利要求1所述的由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，所述步骤4中，采用ABAQUS关于材料的用户子程序UMAT实现沥青面层的回弹模量的非线性分布。
4.根据权利要求1所述的由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，所述步骤4中，采用ABAQUS的子程序DLOAD实现载荷区的垂向轮胎力的快速移动。
5.根据权利要求1所述的由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，所述步骤4中，采用隐式动力学分析确保ABAQUS计算时的效率以及收敛性。
6.根据权利要求1所述的由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，所述步骤6中，所述沥青路面的疲劳开裂破坏模型表示为：
Nf＝1.135×10-3×10M×(εt)-3.291(E)-0.854
Figure FDA0004160904190000021
式中，Nf是产生疲劳开裂的载荷作用次数；εt是沥青面层的底部的拉应变值；E是沥青面层的底部的回弹模量，单位为MPa；Vb是沥青的体积百分比；Va是沥青混合料孔隙率；M是调整值。
7.根据权利要求6所述的由温度变化引起的沥青路面疲劳开裂破坏的评价方法，其特征在于，所述步骤6中，根据产生疲劳开裂的载荷作用次数对沥青路面疲劳开裂破坏情况进行评价。
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